荷電粒子ビーム照射システム
【課題】スポットスキャン法による粒子線治療において、照射時間を短縮可能な荷電粒子ビーム照射システムを提供する。
【解決手段】荷電粒子ビーム照射システム１００は荷電粒子発生装置２００とビーム輸送系３００と照射装置５００から構成される。制御装置６００は、照射装置５００内のビーム位置計測装置５３から得られた出力から照射区画の照射完了毎にビーム位置・幅を演算する。制御装置６００はその演算中にも次の照射区画への照射を続行する。
【解決手段】荷電粒子ビーム照射システム１００は荷電粒子発生装置２００とビーム輸送系３００と照射装置５００から構成される。制御装置６００は、照射装置５００内のビーム位置計測装置５３から得られた出力から照射区画の照射完了毎にビーム位置・幅を演算する。制御装置６００はその演算中にも次の照射区画への照射を続行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線照射システムに係り、特に荷電粒子ビームを腫瘍等の患部に照射して治療する荷電粒子ビーム照射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
癌などの患者の患部に陽子及び炭素イオン等のいずれかの荷電粒子ビーム（イオンビーム）を照射する治療方法が知られている。この治療に用いる粒子線照射システムは、荷電粒子ビーム発生装置、ビーム輸送系、及び照射装置を備えている。
【０００３】
照射装置の照射方式としては、散乱体によってビームを広げた後に患部形状に合わせて切り出す散乱体方式や、細いビームを患部領域内に走査させるビーム走査方式が知られている（例えば、非特許文献１、２０８４〜２０８９頁参照）。
【０００４】
ビーム走査方式を用いた粒子線照射システムにおいて、荷電粒子ビーム発生装置の加速器で加速された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系を経て照射装置に達し、照射装置に備えられた走査用電磁石でビーム進行方向に垂直な面で走査され、照射装置から患者の患部に照射される。
【０００５】
ビーム走査方式において一様な照射野分布を形成する方法としては、上記の細いビーム適切に散乱させた後に円形、らせん状、あるいはジグザグ状に走査するワブラー法が知られている（特許文献１参照）。この場合には形成された一様分布を患部形状に合わせて切り出す必要がある。
【０００６】
一方、細いビームを患部形状に合致させる、また一様ではなく任意の線量分布を形成する方法としてはスポットスキャン法が知られている（例えば、非特許文献１、２０８９〜２０９０頁参照）。これは患部形状を微小な標的区画（照射スポット）に分割しその区画ごとに所望の照射線量を予め設定して照射するものである。
【０００７】
スポットスキャン方式の照射装置では、走査電磁石の励磁電流を変化させてビームの走査面上位置（照射位置）を制御するが、荷電粒子発生装置全体のビーム位置再現性、安定性等の様々な要因によりビームの位置がずれる可能性がある。そこで、これに対応するために照射線量を測定する以外にビーム位置を検出するビーム位置モニタを設け、ビームが正しい位置に照射されているかを判定し、その誤差が所定の許容値範囲を大きい場合は異常と判定し、インターロック信号を出力し荷電粒子ビームの発生を停止する制御手段が提唱されている（例えば、特許文献２）。また、ビーム位置のより正確な把握のため照射装置内に複数のビーム位置モニタを設けて、ビームの位置だけではなくその角度まで算出し判定に用いる制御手段も提唱されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許４１５８９３１号
【特許文献２】２００５−２９６１６２号公報（段落［００４９］等）
【特許文献３】２００９−３４７号公報（段落［００５６］等）
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「レビュー・オブ・サイエンティフィック・インスルメンツ（REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS）」，１９９３年８月，第６４巻，ｐ．２０８４〜２０８９
【非特許文献２】A. Smith, et al, “The M. D. Anderson proton therapy system”Med. Phys. Volume 36, Issue 9, pp. 4068-4083 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
スポットスキャン法において、将来ニーズとしてさらなる高精度な照射を目指し照射位置でのビーム径をより小さくする要求がある（例えば、非特許文献２）。一方、治療可能な患者数をなるべく増加させるための高線量率化の要求もある。ビーム径を小さくするとビーム位置の測定に要するモニタの高分解能化が必要となり、その演算のための時間がより長くなることが想定される。このように照射位置精度を担保し安全性を保つために実施されているビーム位置の測定及びその演算と判定の手段が複雑になるに従い、その時間が長期化し、スポットスキャン方式において必要な線量を照射するまでの時間内に占める増加して、照射時間が長くなる可能性がある。またその演算・判定時間の短縮化のためには演算用の回路や制御動作の高速化などが必要となる可能性がある。
【００１１】
本発明の目的は、スポットスキャン法によるビーム照射に際して、照射位置精度を担保し安全性を保つためのビーム照射位置・幅の演算と判定に要する時間が長くなった場合でも、照射位置精度を維持したまま照射時間を短縮できる荷電粒子ビーム照射システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、荷電粒子ビーム発生装置と、走査電磁石を有する照射装置と、照射線量計測装置と、ビーム位置計測装置とを備え、１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、走査電磁石の励磁電流を制御して荷電粒子ビームを走査し照射位置を次のスポットに変更する荷電粒子ビーム照射システムにおいて、荷電粒子ビーム位置検出装置からの信号に基づき、荷電粒子ビームの位置・幅を算出しかつこの荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱しているかどうかの判定を行い、演算値が許容値を逸脱している場合にインターロック信号を出力し、荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を停止する制御装置を備え、この制御装置は、荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算中にも荷電粒子ビームを照射するよう前記荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御する。
【００１３】
かかる構成により、照射位置精度を担保し安全性を保つためのビーム照射位置・幅の演算と判定を次のスポット（線量区画）の照射間にも実施できるため、その演算と判定に要する時間が長くなった場合でも照射時間を長くすることを避け、照射時間を短縮できる。
【００１４】
また、本発明においては、制御装置は、荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱していると判定した時点で、あるスポットに荷電粒子ビームが照射されている場合は、そのスポットへの照射完了を待って荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を停止する。これは照射中のスポットに対する照射を途中で中断した場合、その照射により生じる照射線量計測装置やビーム位置計測装置での信号出力が不足し、計測が不正確となるのを防止するためである。そして、本発明の制御装置は、１つのスポットへの荷電粒子ビームの照射開始以降、その後の荷電粒子ビームの走査完了の時点までの照射線量と、そのビーム走査完了の時点での次のスポットの照射線量の和が既定量未満であるときは、荷電粒子ビームの走査完了とともに次のスポットの照射を開始するが、照射線量の和が規定量を超えているときは、荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算が完了するまで、次のスポットの照射を開始しないよう荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御する。
【００１５】
かかる構成により、ビーム位置・幅の判定によるビーム出射を停止させるインターロック信号が既定の照射線量内にて完了し、照射の精度を向上させ正常組織への照射を低減することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、スポットスキャン法によるビーム照射に際して、照射位置精度を担保し安全性を保つためのビーム照射位置・幅の演算と判定に要する時間が長くなった場合でも、ビーム位置演算のための非常に高速な装置を用いずに、照射位置精度を維持したまま照射時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の好適な一実施形態（第１の実施形態）である荷電粒子ビーム照射システムの全体概略構成を表す図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムに用いる照射装置の構成を示す図である。
【図３】照射対象である患部の深さ方向の特定層を示す図である。
【図４】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムによるスポットスキャン法の第１の例の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】荷電粒子ビーム照射システムによるスポットスキャン法において走査時間を短縮化した状態で本発明を適用しない場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムによるスポットスキャン法において走査時間を短縮化した状態の第１の例の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムによるスポットスキャン法において走査時間を短縮化した状態でスポット照射線量を変えた場合の第１の例の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明を適用しない場合の図４と図５のタイムチャートの動作を実現するフローチャートである。
【図９】本発明の好適な一実施形態を適用した図４、図６及び図７のタイムチャートの動作を実現するフローチャートである。
【図１０】本発明の好適な他の実施形態である荷電粒子ビーム照射システムによるスポットスキャン法の第２の例としてラスタースキャン法を適用した場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】本発明の好適な他の実施形態を適用した図１０のタイムチャートの動作を実現するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施形態である荷電粒子ビーム照射システムについて、図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における荷電粒子ビーム照射システムの全体構成を示す概略図である。
【００１９】
荷電粒子ビーム照射システム１００は、荷電粒子ビーム発生装置２００と、発生した荷電粒子ビームを治療室４００まで導くビーム輸送系３００と、治療室４００で患者４の患部４１（図２に記載）の形状に合わせて荷電粒子ビームを照射する照射装置５００と、制御装置６００とから構成される。
【００２０】
荷電粒子ビーム発生装置２００は、前段加速器２１と、前段加速器２１で予め加速した荷電粒子を所定のエネルギーまで加速したのち出射するシンクロトロン２０とを有する。（なお、このシンクロトロンに代えて、例えばサイクロトロン等のような前段加速器を有しない加速器を用いてもよい。）
シンクロトロン２０は、荷電粒子ビームを周回させるための複数の偏向電磁石２２及び複数の四極電磁石（図示せず）と、周回する荷電粒子ビームを加速させる加速装置２３と所定のエネルギーまで加速した荷電粒子ビームを出射する出射装置２４を有する。
【００２１】
出射装置２４は、出射用高周波印加電極（図示せず）を有し、この高周波印加電極が出射用スイッチ２５を介して高周波電源２６に接続されており、出射用スイッチ２５の開閉により荷電粒子ビームの出射をＯＮ／ＯＦＦする。
【００２２】
ビーム輸送系３００は、複数の偏向電磁石３１と複数の四極電磁石（図示せず）を有し、シンクロトロン２０から出射された荷電粒子ビームを照射装置５００に輸送するようになっている。
【００２３】
ここで、図２を用いて本実施形態による荷電粒子ビーム照射システムに用いる照射装置５００の構成について説明する。
【００２４】
照射装置５００は、ビーム輸送系３００で導かれた荷電粒子ビームを水平（図中Ｘ方向）、垂直（紙面に垂直方向）に走査し患者４の患部４１の形状に合致させるためのＸ方向走査電磁石５１ＡとＹ方向走査電磁石５１Ｂを有し、これらの走査電磁石５１Ａ，５１Ｂは走査電磁石用電源６１Ａ，６１Ｂとそれぞれ接続される。走査電磁石電源６１Ａ，６１Ｂは電源制御装置６２により制御される。走査電磁石５１Ａ，５１Ｂにより偏向された荷電粒子ビームは、ビーム位置モニタ５２Ａ及び線量モニタ５３Ａを通過し、照射標的である患部４１に照射される。ビーム位置モニタ５２Ａはビーム位置計測装置５２Ｂに接続され、ビーム位置計測装置５２Ｂは荷電粒子ビームの位置及び幅（広がり）を計測し、線量モニタ５３Ａは照射線量計測装置５３Ｂに接続され、照射線量計測装置５３Ｂは荷電粒子ビームの照射量を計測する。
【００２５】
ビーム位置モニタ５２ＡはＸ方向、Ｙ方向それぞれに一定間隔ごとに並行にワイヤーが張られた電離箱構造となっている。ワイヤーには高電圧が印加されており、荷電粒子ビームがビーム位置モニタ５２Ａを通過するとビーム位置モニタ５２Ａ内の空気が電離されその電荷量は最も近いワイヤーに集められる。ビーム位置計測装置５２Ｂは、各ワイヤー付近を通過して荷電粒子ビームの量に比例する信号をワイヤーより読みだすことで荷電粒子ビームの分布データを得ることが出来、ビーム位置すなわち分布の重心位置とビーム幅すなわち分布の標準偏差を算出することができる。なお、ビーム位置モニタ５２Ａにはワイヤーを張り信号を得るタイプ以外にも複数の電離箱を平面内に２次元に配置するタイプもありうる。
【００２６】
図２は、照射制御装置６４の処理機能も示しており、照射制御装置６４は、信号取得部６４Ａ、ビーム位置・幅演算部６４Ｂ、メモリ６４Ｃ、信号取得部６４Ｄ、照射線量演算部６４Ｅからなるスポット進行判定部６４Ｆを備えている。
【００２７】
ここで、図２及び図３を用いてスポットスキャン法について説明する。図３は、荷電粒子ビームの上流側から患部４１を見た説明図である。
【００２８】
図２に示したように患者４の患部４１に対して、その患部形状を３次元的な複数の深さ方向（図中Ｚ方向）の層に分割し、各層をさらに図３に示すように、荷電粒子ビームの進行方向を横切る方向である水平方向（図中Ｘ−Ｙ方向）に２次元的に分割して複数の線量区画４２（以下照射スポット）を設定する。深さ方向は荷電粒子ビームの到達進度に対応しシンクロトロンから出射される荷電粒子ビームのエネルギー変更、あるいは照射装置５００より上流でのエネルギー吸収体挿入などによる荷電粒子ビームのエネルギー変更により変更されて各層を選択的に照射する。各層内では図３に示す例えば４３のような経路に沿って走査電磁石５１Ａ，５１Ｂで荷電粒子ビームを２次元的に走査して各照射スポットに所定の線量を与える。各照射スポットに照射される荷電粒子ビームの量は線量モニタ５３Ａ及び照射線量計測装置５３Ｂで計測され、荷電粒子ビームの位置やその広がり（幅）はビーム位置モニタ５２Ａ及びビーム位置計測装置５２Ｂで計測される。
【００２９】
上述したスポットスキャン照射制御は照射制御装置６４によって行う。照射制御装置６４は、複数の照射スポットのうちの１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、走査電磁石５１Ａ又は５１Ｂの励磁電流を制御して荷電粒子ビームを走査し照射位置を次の照射スポットに変更する。また、本実施形態はいわゆるディスクリートスポットスキャン方式によるものであり、照射制御装置６４は、１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を停止し、このビーム出射の停止状態で、走査電磁石５１Ａ又は５１Ｂの励磁電流を制御して荷電粒子ビームを走査し照射位置を次の照射スポットに変更し、この変更後に、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を開始するよう制御する。
【００３０】
また、照射制御装置６４は、ビーム位置モニタ５２Ａ及びビーム位置計測装置５２Ｂから得られた信号を照射制御装置６４内の信号取得部６４Ａより読み出した後、ビーム位置・幅演算部６４Ｂにてビーム位置とその幅を演算し、この荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱しているかどうかを判定する。そして、荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱している場合は中央制御装置６５を介して加速器制御装置６６にインターロック信号を出力し、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を停止する。
【００３１】
ここで、より正確な位置や幅の測定のためにはビーム位置モニタ５２Ａは荷電粒子ビームの幅に対して十分小さい間隔のワイヤーを備えている必要があり、高精度な照射を目指して照射位置でのビーム径をより小さくした場合は、ビーム位置モニタ５２Ａに到達する荷電粒子ビームの幅が小さければ小さいほどそのワイヤー間間隔を小さくせざるを得ない。また照射可能な患部の大きさ、すなわち照射装置としての最大照射野サイズを大きくすればビーム位置モニタ５２Ａの測定可能な領域を大きくせざるを得ず、演算に用いる信号の数が大きくなる。このように演算に用いる信号の数が大きくなると、ビーム照射位置・幅の演算と判定に要する時間が長くなることが想定される。本実施の形態は、ビーム照射位置・幅の演算と判定に要する時間が長くなった場合でも、ビーム位置演算のための非常に高速な装置を用いずに、照射位置精度を維持したまま照射時間を短縮することができるようにしたものである。以下にその詳細を説明する。
【００３２】
まず、図４のタイムチャートを用いて本実施形態の荷電粒子ビーム照射システムによるスポットスキャン法の第１の例の動作について説明する。この実施形態は、上述したように、照射スポットへ荷電粒子ビームを照射した後の照射スポット位置を変更する間には荷電粒子ビーム照射を照射しない、いわゆるディスクリートスポットスキャン方式によるものである。
【００３３】
図４のタイムチャートは図３に示した患部内のある層を照射している間の動作を示す。
【００３４】
図４において、横軸は時間ｔを示している。図４（Ａ）の縦軸は照射制御装置６４から中央制御装置６５、加速器制御装置６６を介し出射用スイッチ２５に出力する開閉信号、すなわち荷電粒子ビームの出射を制御するビームＯＮ／ＯＦＦ信号である。図４（Ａ）に４つのＯＮ状態、すなわち４つの照射スポットがあるので、これらをそれぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４とする。ここで、最初のビームＯＮ信号は、医師やセラピストが照射開始を指示した後、例えばシンクロトロン２０のビーム入射、加速等のプロセスを経て、荷電粒子ビーム発生装置２００のを含むシステム全体の動作準備が完了し、荷電粒子ビームが照射可能な状態になった時点で発生する。
【００３５】
図４（Ｂ）の縦軸は照射された荷電粒子ビームの照射量を線量モニタ５３Ａ及び照射線量計測装置５３Ｂで測定したもので、ビームＯＮと同時に照射量が積算されていき、その計測信号は照射制御装置６４の信号取得部６４Ｄを介して照射線量演算部６４Ｅに取り込まれる。照射線量演算部６４Ｅは、積算線量が予め定められた量に達したところでビームＯＦＦし、測定量を照射制御装置６４のメモリ６４Ｃにて記憶後、照射線量計測装置５３Ｂはリセットされる。なおここでは線量モニタ５３Ａ及び照射線量計測装置５３Ｂで計測される照射量を照射スポット毎にリセットするよう図示しているが、常に積算しその差分で照射量を判定してもよい。
【００３６】
図４（Ｃ）は実際の荷電粒子ビームの照射電流を示しており、図４（Ｂ）で示した通り所定の線量に達してビームＯＦＦとなった後にもＯＦＦの反応時間があるため、微小な量の荷電粒子ビームが照射されることを示している。
【００３７】
図４（Ｄ）の縦軸は図４（Ｃ）で示した照射ビームの位置・幅を測定するビーム位置モニタ５２Ａ及びビーム位置計測装置５２Ｂの測定状態を示し、例えば照射スポットＳ１の計測、すなわちＭ１の区間での信号収集を照射制御装置６４の信号取得部６４Ａが行う。図４（Ｄ）に示したビーム位置計測装置の信号収集が完了した後、ビーム位置・幅演算部６４Ｂは、その取得した信号を基にビーム位置や幅（標準偏差）を演算し、予め照射制御装置６４のメモリ６４Ｃに設定されている許容値と比較しビーム位置・幅の値が所望の誤差範囲内にあるかどうかを判定する。図４（Ｅ）の縦軸はそのビーム位置・幅の演算実施状態を示しており、例えば照射スポットＳ１に対応した区間Ｍ１の測定信号を用いた演算を区間Ｃ１にてビーム位置・幅演算部６４Ｂが実施する。
【００３８】
ビーム位置・幅の演算結果が許容値を逸脱した場合には照射制御装置６４がインターロック信号を発生し、次の照射スポットへの進行を停止させる。例えば照射スポットＳ１のビーム位置・幅演算結果が許容値を逸脱した場合には区間Ｃ１終了後、図４中のタイミングＴ１にて進行が停止する。
【００３９】
図４（Ｆ）の縦軸は、図３に示したように荷電粒子を２次元的に走査する場合の走査電磁石電源６１Ａあるいは６１Ｂの電流パターンを示している。このパターンは照射制御装置６４において予め定められたパターンとなっており、各照射スポットでの照射線量が既定値に達し照射ビームが停止した後に順次励磁量を変更し、照射位置を変更する動作を示している。
【００４０】
図４（Ｇ）の縦軸は走査電磁石電源６１Ａ又は６１Ｂの状態を示し、励磁電流を変更して電流偏差が所望の範囲から逸脱している間は走査電磁石電源６１Ａ又は６１ＢをＯＮ（以下走査中状態ＯＮという）、例示電流の変更が完了し電流偏差が所望の範囲内に入ったことを判定した後に走査電磁石電源６１Ａ又は６１ＢをＯＦＦ（以下走査中状態ＯＦＦという）する。すなわち、照射スポットＳ１に荷電粒子ビームを照射後に区間Ｂ１にて次の照射スポットへの照射位置変更を実施している。
【００４１】
図４において、照射スポットＳ２の照射開始は照射スポットＳ１照射後の照射位置変更、すなわち図４（Ｇ）の走査中状態ＯＮが完了したタイミングとなる。照射スポットＳ１完了後の流れが照射スポットＳ２照射後も繰り返され、図３に示したような２次元の走査が進行する。
【００４２】
図４（Ａ）から（Ｆ）までの一連の動作を繰り返し、図３に示した患部４１のある深さ方向の層について荷電粒子ビームを照射する。各照射スポットの照射線量、照射位置、それに対応した走査電磁石電源６１Ａ，６１Ｂの励磁量は予め定められた治療計画に従い、その内容は治療開始前に治療計画装置６７から中央制御装置６５に送信され、照射制御装置６４内のメモリ６４Ｃに保存される。その内容に従い照射制御装置６４は走査電磁石電源６１Ａ，６１Ｂの励磁パターンを定め、また中央制御装置６５では患部４１を深さ方向に層状に分割した深さに対応するエネルギーを加速器制御装置６６に送信し、該当するエネルギーでの運転を実施する。患部４１の１層を照射完了した場合には、別の層に相当するエネルギーでの運転を実施するようエネルギー切り替え指示を送信する。これらを繰り返すことによって患部４全体の照射を完了する。
【００４３】
ここで、図４（Ｅ）の区間Ｃ１の時間をｔＣ１、図４（Ｇ）の区間Ｂ１の時間をｔＣ２とすると、図４の場合にはｔＣ１＜ｔＢ１となっているため、照射スポットＳ１のＯＦＦから次の照射スポットＳ２のＯＮに至るまでの時間は区間Ｂ１の長さで決まっている。
【００４４】
また、ビーム位置・幅の演算後の許容値判定するタイミングＴ１は走査中状態ＯＮを示す区間Ｂ１内で生じているため、判定の結果許容値外となった場合には次の照射スポットＳ２の照射開始前にビーム停止となる。以降照射スポットＳ２、Ｓ３についても同様である。
【００４５】
次に、ビーム位置・幅判定時間ｔＣ１と走査中時間ｔＢ１の時間の大小が逆転する、すなわちｔＣ１＞ｔＢ１となる場合を考える。こういったケースは図３に示した照射スポットの間隔を狭めてより高精細な照射を実施する場合、走査電磁石電源の性能を向上させより短時間で大きな励磁量を変更できるようにした場合、あるいはより高精度なビーム位置・幅の計測を実施するためにビーム位置計測装置のワイヤーすなわち測定チャンネルを増やし演算に用いるチャンネル数が増加、もしくは計算が複雑化したりする場合に、発生し得る。
【００４６】
従来のディスクリートスポットスキャン方式による図４と同様なタイミングチャートを、ビーム位置・幅判定時間ｔＣ１が走査中時間ｔＢ１の時間よりも大きくなった場合について図５に示す。図５（Ａ）から（Ｇ）までの縦軸は図４と同様である。従来のディスクリートスポットスキャン方式では、照射スポットへの荷電粒子ビーム照射後には図５（Ｅ）に示すビーム位置・演算がＯＦＦする、すなわち判定が完了するまで次の照射スポットの照射には移行しない。したがって、照射スポットＳ１の照射後図５のタイミングＴ１まで経過してから次の照射スポットＳ２に移行していた。
【００４７】
この場合、高精細な照射のために照射スポットの間隔を狭めても、あるいは走査電磁石用電源の性能を向上させて走査速度を向上させても、全体の照射時間が短縮できない。またビーム位置・幅の演算速度を向上させて図４の状況に戻すためには、その向上のための高価かつ複雑な演算装置が必要となる。
【００４８】
これを解決する本実施形態の動作を図６のタイミングチャートを用いて説明する。図６（Ａ）から（Ｇ）までの縦軸は図４と同様である。
【００４９】
図６に示した通り、図５と同様にビーム位置・幅判定時間ｔＣ１が走査中時間ｔＢ１の時間よりも大きくなっている。しかしながら図６（Ｅ）のビーム位置・幅の判定中に次の照射スポットの照射を開始している。以下図６を用いて動作を説明する。
【００５０】
図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の動作は図４と同様で、図６（Ｄ）の区間Ｃ１で測定した信号を基に図６（Ｅ）の区間Ｃ１でビーム位置・幅の演算を実施する。
【００５１】
一方、図６（Ｆ），（Ｇ）に示す通り走査電磁石の走査中状態ＯＮを表す区間Ｂ１が判定完了より前にＯＦＦしている。図５に示した動作では区間Ｃ１のＯＦＦ後に次の照射スポットＳ２の照射を開始しているが、本発明では走査中状態ＯＮが完了するとともに次照射スポットＳ２の照射を開始する。
【００５２】
したがって、図６（Ｅ）に示すビーム位置・幅演算に対応する区間Ｃ１の完了判定タイミングＴ１は次の照射スポットＳ２の照射中に発生する。ここで、好ましくは、ビーム位置・幅の演算結果が予め定められた許容値を逸脱しビームを停止する要求が発生しても、直ちにはビームの照射を停止せず照射スポットＳ２の照射完了を待ってタイミングＴ１‘にて照射スポットに対する照射の進行を停止する動作とする。これは照射スポットＳ２に対する照射を途中で中断した場合、その照射により生じる線量モニタ５３Ａ及び照射線量計測装置５３Ｂやビーム位置モニタ５２Ａ及びビーム位置計測装置５２Ｂでの信号出力が不足し、計測が不正確となるのを防止するためである。この場合、照射スポットＳ１と照射スポットＳ２の照射量の和が、照射スポットＳ１の判定結果が万が一異常があった場合にはビーム停止に至るまでの照射となるため、その和が予め定められた既定量未満となるようにする。例えばその照射線量（規定量）は、その照射が及ぼす線量分布全体への寄与が軽微となる基準から定めておくとよい。
【００５３】
あるいは、図６（Ｅ）に示すビーム位置・幅演算に対応する区間Ｃ１の完了判定タイミングＴ１が照射スポットＳ２照射中に発生した場合に直ちにビーム停止信号を発生させてビーム停止してもよい。
【００５４】
この動作により、高精細な照射のために照射スポットの間隔を狭める、あるいは走査電磁石用電点の性能を向上させて走査速度を向上させたことによる照射スポット間走査時間の短縮によってビーム位置・幅判定時間ｔＣ１が走査中時間ｔＢ１の時間よりも大きくなったｔＣ１＞ｔＢ１となる場合についても、照射時間の短縮が実現可能となる。
【００５５】
またより高精度なビーム位置・幅の計測を実施するためにビーム位置モニタ５２Ａのワイヤーすなわち測定チャンネルを増やし演算に用いるチャンネル数が増加、もしくは計算が複雑化した場合でも、その演算時間が長くなることによる照射時間の伸長を抑制可能となる。
【００５６】
また本発明の動作では、図３に示したような照射スポットにおいてそれらの間隔が飛び飛びになり距離が長くなった場合には走査中時間が延びる。その場合ビーム位置・幅判定時間ｔＣ１が走査中時間ｔＢ１の時間よりも小さい、すなわちｔＣ１＜ｔＢ１となる場合には、図４と同様の動作となる。
【００５７】
次に図７には、本発明において照射スポットの照射線量が小さくスポットへの照射時間が短い場合のタイムチャートを示す。図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の動作は図４と同様で、図６（Ｄ）の区間Ｍ１で測定した信号を基に図６（Ｅ）の区間Ｃ１でビーム位置・幅の演算を実施する。図７では照射スポットＳ２の照射量が小さく照射時間が短いため、演算時間ｔＣ１が照射スポットＳ１からＳ２までの走査中時間ｔＢ１、スポットＳ２の照射に対応したビーム位置計測時間ｔＭ２、スポットＳ２からＳ３への走査中時間ｔＢ２の合計よりも長くなっている。図７の例は、照射スポットＳ１の判定終了までに照射してよい照射線量として予め定められた既定値が照射スポットＳ１とＳ２の照射量の和よりは大きく照射スポットＳ１、Ｓ２とＳ３の照射量の和よりも小さい場合で、図７（Ｅ）の判定区間Ｃ１完了後のタイミングＴ１まで照射スポットＳ３の照射を開始しない。
【００５８】
図８は、図４及び図５のタイムチャートに示した本発明を適用しない場合の比較例の動作を実現するフローチャートであり、図４は前述の通りビーム位置・幅判定時間ｔＣ１と走査中時間ｔＢ１の時間の関係がｔＣ１＜ｔＢ１となる場合、図５はｔＣ１＞ｔＢ１となる場合である。
【００５９】
図８のフローチャートでは、ステップ７０１で照射開始し、ビームＯＦＦの時間まで含めてステップ７０２で照射完了後ビーム走査及びビーム位置・幅の演算ステップ７０３に移行する。ステップ７０４でビーム走査完了になった時点でステップ７０５のビーム位置・幅の演算完了となっていればステップ７０６に移行する。ステップ７０６でビーム位置・幅の判定を行い正常であればステップ７０７の次スポット照射移行に進み、ステップ７０９の次スポット照射を開始し、異常であればステップ７０８に進み、照射停止となる。
【００６０】
図８のフローチャートでは、ビーム走査完了ステップ７０４とビーム位置・幅演算完了ステップ７０５の両者が成立しない限り次のスポットへ移行しないため、図５のｔＣ１＞ｔＢ１となる場合、すなわちビーム位置・幅判定時間が走査中時間よりも大きい場合には、スポット進行はビーム位置・幅判定時間経過後となる。
【００６１】
図９は、図４、図６及び図７のタイムチャートに示した、そのような問題を解決する本実施形態の動作を実現するフローチャートである。照射制御装置６４には図９のフローチャートに対応するプログラムが格納されており、スポット進行判定部６４Ｆがそのプログラムに基づいて図９のフローチャートの処理を実行する。
【００６２】
図９のフローチャートでは、ビーム位置幅演算完了を判定するステップ７０５までは図８と同様に進行した後、ビーム走査完了の条件下でビーム位置幅演算が完了していない場合にステップ７１０に進む。
【００６３】
ステップ７１０では、スポット照射開始以降、ステップ７０４のビーム走査完了の時点までの照射線量と、ビーム走査完了の時点での次のスポットの照射線量の和（次スポットを含めた線量和）が予め定められた既定量に達していない（次スポットを含めた線量和＜規定量）かどうかを判定する。そして、この判定が肯定されればステップ７０７の次スポット照射移行に進み、ステップ７０９の次スポット照射開始へ進む。
【００６４】
ここで、各スポットの目標線量は治療計画で予め設定され、治療開始前に治療計画装置６７から中央制御装置６５に送信され、照射制御装置６４内のメモリ６４Ｃに保存されている。スポットＳ１の照射線量は治療計画で予め設定されメモリ６４Ｃに保存された目標線量であってもよい。スポットＳ２の線量は治療計画で予め設定されメモリ６４Ｃに保存された目標線量である。
【００６５】
ステップ７１０の判定における線量の関係を図６を用いて説明する。
【００６６】
スポット照射開始以降ビーム走査完了の時点ＴＢ１までの照射線量であるスポットＳ１の照射線量（計測値）と、ビーム走査完了の時点ＴＢ１での次のスポットであるスポットＳ２の線量の和が既定量を超えているかどうかを判定し、超えていなければ、ステップ７１０の判定が肯定され、次スポット照射、すなわちスポットＳ２の照射に移行する。
【００６７】
スポットＳ２の照射中にビーム位置・幅演算完了ステップ７０５が成立した後、ステップ７０６でビーム位置幅判定が異常となった場合には、ステップ７１１にてスポット照射が完了している状態かどうかを判定し、完了状態であれば照射停止ステップ７０８に移行、照射中の状態であれば照射完了を待つ。これにより、図６（Ｅ）のビーム位置幅演算中Ｃ１が終了するタイミングＴ１で異常が発生した場合であってもスポットＳ２を照射完了してからビーム停止する動作となる。
【００６８】
図７は、スポットＳ１の判定中に複数スポットを照射する場合である。スポットＳ２の照射と２度目のビーム走査を完了し、ステップ７１０まで進行後、スポット照射開始以降、２度目のビーム走査完了の時点ＴＢ２までの照射線量である、図７中のスポットＳ１、Ｓ２の線量と、２度目のビーム走査完了の時点ＴＢ２での次のスポットであるスポットＳ３の線量の和が既定量を超えているかどうかを判定し、超えているとステップ７１０にて判定した場合にステップ７１０の判定が否定され、ステップ７０５に戻る。そして、ステップ７０５のビーム位置演算完了とステップ７０６の位置・幅演算完了までスポットＳ３の照射開始を待つ動作となる。
【００６９】
ここで、ステップ７０５でビーム位置・幅の演算が完了しておらず、ステップ７１０で次スポットを含めた線量和が予め定められた既定量に達している場合にステップ７０７の次スポット照射移行に進み、ステップ７０９の次スポット照射開始へ進むことは、各照射スポット照射後そのスポットに照射されたビームについてその位置や幅の判定のための演算を実施している間にも既定の照射線量を許容することを意味する。
【００７０】
なお、図９のフローチャートで示す本実施形態を適用すれば、図４のようにビーム位置・幅判定時間ｔＣ１と走査中時間ｔＢ１の時間の関係がｔＣ１＜ｔＢ１となる場合はステップ７０４のビーム走査完了時点でステップ７０５のビーム位置・幅演算も完了しているので、図４の動作も実現可能である。
【００７１】
以上のように本実施形態においては、照射制御装置６４は、荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算中にも荷電粒子ビームを照射するよう荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御する。また、照射制御装置６４は、１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算が完了する前であっても、荷電粒子ビームの走査が完了した場合は、そのビーム走査完了とともに次のスポットの照射を開始するよう荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御する。これによりディスクリートスポットスキャン方式によるビーム照射に際して、照射位置精度を担保し安全性を保つためのビーム照射位置・幅の演算と判定に要する時間が長くなった場合でも、ビーム位置演算のための非常に高速な装置を用いずに、照射位置精度を維持したまま照射時間を短縮することができる。
【００７２】
また、照射制御装置６４は、荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱していると判定した時点で、あるスポットに荷電粒子ビームが照射されている場合は、そのスポットへの照射完了を待ってインターロック信号を出力し、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を停止するよう制御する。そして、１つのスポットへの荷電粒子ビームの照射開始以降、その後の荷電粒子ビームの走査完了の時点までの照射線量と、そのビーム走査完了の時点での次のスポットの照射線量の和が既定量未満であるときは、荷電粒子ビームの走査完了とともに次のスポットの照射を開始するが、照射線量の和が規定量を超えているときは、荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算が完了するまで、次のスポットの照射を開始しないよう荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を制御する。これによりビーム位置・幅の判定によるビーム出射を停止させるインターロック信号が既定の照射線量内にて完了し、照射の精度を向上させ正常組織への照射を低減することができる。
【００７３】
以上の通り本実施形態では、各照射スポット照射後そのスポットに照射されたビームについてその位置や幅の判定のための演算を実施している間にも荷電粒子ビームの照射を許容することで照射スポット間のビーム停止時間を短縮化可能となる。
【００７４】
この効果を数値の例を示して図５及び図６を用いて示す。本発明を適用していない図５において図５（Ｃ）の照射電流がＯＮとなっている各照射スポットのビームＯＮ時間ｔＯＮ（＝ビーム位置計測時間）を４ｍｓ、図５（Ｅ）のビーム位置幅の演算時間ｔＣ１を３ｍｓ、図５（Ｇ）の走査中時間ｔＢ１を１．５ｍｓとすると、１つの照射スポットが進行するのに要する時間はｔＯＮ＋ｔＣ１で決まり７ｍｓとなる。一方、本発明を適用した図６では同じく１つの照射スポットが進行するのに要する時間はｔＯＮ＋ｔＢ１で決まり５．５ｍｓ７となって、１スポットあたり１．５ｍｓの時間短縮となる。例えば１０ｃｍ四方の体積１リットルの立方体を照射するために必要な照射スポット数を１０，０００とすれば、本発明を適用していない図５では７ｍｓ×１０，０００スポットの７０秒の照射時間に対し、本発明を適用した図６では５．５ｍｓｘ１０，０００スポットの５５秒の照射時間となり、１５秒の照射時間短縮化が見込まれる。本発明を用いずに同じ効果を得るには、ビーム位置幅の演算時間ｔＣ１を短縮するために照射制御装置の演算能力を向上させる必要があるが、本発明ではその必要はない。
＜第２の実施の形態＞
次に、図１０及び図１１を用いて本発明の第２の実施の形態による荷電粒子ビーム照射システムについて説明する。本実施形態のスポットスキャン法は、各照射スポットへ荷電粒子ビームを目標線量だけ照射した後、荷電粒子ビームを走査して照射スポットを変更する間にも荷電粒子ビームを照射する、いわゆるラスタースキャン方式によるものである。なお、本実施形態における荷電粒子ビーム照射システムの全体構成と照射制御装置の構成は図１及び図２に示したものと同様である。
【００７５】
本実施の形態において、上述したラスタースキャン方式によるスポットスキャン照射制御は照射制御装置６４が荷電粒子ビーム発生装置２００からのビーム出射を制御することによって行う。
【００７６】
ラスタースキャン方式では、ビームの照射を停止するのは図３に示した患部のある一層を照射中に照射スポット間の間隔が大きくなりその間に照射する線量が無視できなくなるような場合や、同じく図３に示したある１層を照射完了し別の深さの層に変更する、すなわち照射装置５００に入射する荷電粒子ビームのエネルギーを変更する場合、また許容できないビーム停止要因が発生した場合となる。
【００７７】
図１０のタイムチャートは本実施形態による図３に示した患部内のある層を照射している間の動作を示す。
【００７８】
図１０において、横軸は時間ｔを示している。図１０（Ａ）の照射スポットの進行を示し、各区間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が各照射スポットへの照射区間を示す。
【００７９】
図１０（Ｂ）の縦軸は荷電粒子ビーム発生装置２００から出射されビーム輸送系３００を通じ照射装置５００に入射する荷電粒子ビーム電流を示す。
図１０（Ｃ）の縦軸は照射装置５００内の線量モニタ５３Ａ及び照射線量計測装置５３Ｂの計測線量の積算値を示す。
【００８０】
図１０（Ｄ）の縦軸は走査電磁石電源６１Ａあるいは６１Ｂの励磁電流を示す。図１０（Ｃ）に示した照射積算量が各スポットに予め定められた、計画線量に達すると同時にその照射スポットの照射を完了したこととし、次の照射スポットへの移動を開始する。したがって、照射スポットへの照射はまず走査電磁石励磁量変更中に行われ、その励磁量変更が終了した後計画された線量に達するまで走査電磁石５１Ａ又は５１Ｂの励磁量変更を停止し、線量が計画値に達したと同時に次のスポットへ移行するための走査電磁石５１Ａ又は５１Ｂの励磁電流を変更する、という動作を繰り返す。そして、それらの間にも荷電粒子ビームは照射され続ける。
【００８１】
図１０（Ｅ）の縦軸は各照射スポットでのビーム位置モニタ５２Ａ及びビーム位置計測装置５２Ｂの計測状態を示し、上記の通り、走査中及び走査停止中の線量が既定値に達するまでの区間Ｍ１にビーム位置モニタ５２Ａ及びビーム位置計測装置５２Ｂにて各照射スポットでのビーム位置の計測を行う。
【００８２】
図１０（Ｆ）の縦軸は各照射スポット照射完了後のビーム位置・幅の演算状態を示す。図１０（Ｅ）に示したビーム位置計測装置の信号収集が完了した後、ビーム位置・幅演算部６４Ｂは、その取得した信号を基にビーム位置や幅（標準偏差）を演算し、予め照射制御装置６４のメモリ６４Ｃに設定されている許容値と比較しビーム位置・幅の値が所望の誤差範囲内にあるかどうかを判定する。図１０（Ｆ）の縦軸はそのビーム位置・幅の演算実施状態を示しており、例えば照射スポットＳ１に対応した区間Ｓ１の測定信号を用いた演算を区間Ｃ１にてビーム位置・幅演算部６４Ｂが実施する。
【００８３】
ここで、本実施形態では、図１０に示す通り、各スポットの照射時間が（Ｆ）のビーム位置・幅演算時間より長い、すなわち例えば区間Ｓ２の時間が区間Ｃ１の時間より長い状態である必要があるため、スポット毎の照射量を照射電流で除すことによって得られる照射時間がビーム位置・幅演算時間よりも長くなるように各スポットの荷電粒子ビームの照射電流を予め定めておく必要がある。この照射ビーム電流の制御は、図１に点線で示すように、高周波電源２６の出射用高周波の出力を調整することで可能となる。
【００８４】
図１１は、図１０のタイムチャートに示した本実施形態の動作を実現するフローチャートである。図２に示した照射制御装置６４には図１１のフローチャートに対応するプログラムが格納されており、スポット進行判定部６４Ｆがそのプログラムに基づいて図９のフローチャートの処理を実行する。図１１のフローチャートを用いて、図１０のタイムチャートに示したスポットＳ１の照射完了後の動作を代表して説明する。
【００８５】
ステップ８０１で照射開始後のステップ８０２、スポットＳ１の照射完了後、前述の通り照射スポットを変更する間にも荷電粒子ビーム照射を続行するラスタースキャン方式のため、ステップ８０３の通り次スポットＳ２の照射を開始する。照射開始とともにステップ８０４のビーム走査、及びビーム位置・幅演算を開始する。
【００８６】
スポットＳ２の線量満了まで照射を続け、ステップ８０５の線量満了判定が正となった時点でスポットＳ１のビーム位置幅判定８０６が正常であればステップ８０７次スポット（Ｓ３）照射に移行する。ステップ８０６のビーム位置判定が異常となった場合にはステップ８０９の照射停止に移行する。
【００８７】
ここで、ステップ８０５の線量満了時点でステップ８０６のビーム位置・幅判定を可能とするためには、スポットの照射時間、フローチャートの例で示せばスポットＳ２の照射時間がビーム位置・幅の演算時間（図８のＣ１に相当）よりも長くなることが必要である。そのために上述したように、スポットＳ２の計画照射量に対しスポット照射時間が長くなるように各スポットの荷電粒子ビーム照射電流が設定されている。この照射電流は事前に計算され、照射制御装置６４のメモリ６４Ｃに記憶されている。
【００８８】
以上のように本実施形態では、照射制御装置６４は、複数の照射スポットの各スポットにおける照射時間がビーム位置検出装置５３Ｂからの信号に基づくビームの位置・幅の演算時間よりも長くなるように設定し、照射線量計測装置５３Ｂで計測する１つのスポットの照射線量が目標線量に到達した後、次のスポットへの照射を開始するとともにビーム位置検出装置５３Ｂからの信号に基づく荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算を開始する。また、照射制御装置６４は、複数の照射スポットの各スポットにおける照射時間がビーム位置検出装置５３Ｂからの信号に基づくビームの位置・幅の演算時間よりも長くなるように各スポットの荷電粒子ビームの照射電流を制御する。
【００８９】
これにより本実施形態では、各照射スポット照射終了後にそのスポットに照射されたビームについて、そのビーム位置や幅の判定のための演算を実施している間にも荷電粒子ビームの照射を許容するため、ラスタースキャン方式であっても各照射スポットのビーム位置や幅の判定を実施可能となる。
【符号の説明】
【００９０】
２０ シンクロトロン
２１ 前段加速器
２２ 偏向電磁石
２３ 加速装置
２４ 出射装置
２５ 出射用スイッチ
２６ 高周波電源
３１ 偏向電磁石
４ 患者
４１ 患部
４２ 線量区画（照射スポット）
４３ 照射経路
５１Ａ，５１Ｂ 走査電磁石
５２Ａ ビーム位置モニタ
５２Ｂ ビーム位置計測装置
５３Ａ 線量モニタ
５３Ｂ 照射線量計測装置
６１Ａ，６１Ｂ 走査電磁石電源
６２ 走査電磁石電源制御装置
６４ 照射制御装置
６４Ａ モニタ信号取得部
６４Ｂ ビーム位置・幅演算部
６４Ｃ メモリ
６４Ｄ モニタ信号取得部
６４Ｅ 照射線量演算部
６４Ｆ スポット進行判定部
６５ 中央制御装置
６６ 加速器制御装置
６７ 治療計画装置
１００ 荷電粒子ビーム照射システム
２００ 荷電粒子ビーム発生装置
３００ ビーム輸送系
４００ 治療室
５００ 照射装置
６００ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子線照射システムに係り、特に荷電粒子ビームを腫瘍等の患部に照射して治療する荷電粒子ビーム照射システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
癌などの患者の患部に陽子及び炭素イオン等のいずれかの荷電粒子ビーム（イオンビーム）を照射する治療方法が知られている。この治療に用いる粒子線照射システムは、荷電粒子ビーム発生装置、ビーム輸送系、及び照射装置を備えている。
【０００３】
照射装置の照射方式としては、散乱体によってビームを広げた後に患部形状に合わせて切り出す散乱体方式や、細いビームを患部領域内に走査させるビーム走査方式が知られている（例えば、非特許文献１、２０８４〜２０８９頁参照）。
【０００４】
ビーム走査方式を用いた粒子線照射システムにおいて、荷電粒子ビーム発生装置の加速器で加速された荷電粒子ビームは、ビーム輸送系を経て照射装置に達し、照射装置に備えられた走査用電磁石でビーム進行方向に垂直な面で走査され、照射装置から患者の患部に照射される。
【０００５】
ビーム走査方式において一様な照射野分布を形成する方法としては、上記の細いビーム適切に散乱させた後に円形、らせん状、あるいはジグザグ状に走査するワブラー法が知られている（特許文献１参照）。この場合には形成された一様分布を患部形状に合わせて切り出す必要がある。
【０００６】
一方、細いビームを患部形状に合致させる、また一様ではなく任意の線量分布を形成する方法としてはスポットスキャン法が知られている（例えば、非特許文献１、２０８９〜２０９０頁参照）。これは患部形状を微小な標的区画（照射スポット）に分割しその区画ごとに所望の照射線量を予め設定して照射するものである。
【０００７】
スポットスキャン方式の照射装置では、走査電磁石の励磁電流を変化させてビームの走査面上位置（照射位置）を制御するが、荷電粒子発生装置全体のビーム位置再現性、安定性等の様々な要因によりビームの位置がずれる可能性がある。そこで、これに対応するために照射線量を測定する以外にビーム位置を検出するビーム位置モニタを設け、ビームが正しい位置に照射されているかを判定し、その誤差が所定の許容値範囲を大きい場合は異常と判定し、インターロック信号を出力し荷電粒子ビームの発生を停止する制御手段が提唱されている（例えば、特許文献２）。また、ビーム位置のより正確な把握のため照射装置内に複数のビーム位置モニタを設けて、ビームの位置だけではなくその角度まで算出し判定に用いる制御手段も提唱されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許４１５８９３１号
【特許文献２】２００５−２９６１６２号公報（段落［００４９］等）
【特許文献３】２００９−３４７号公報（段落［００５６］等）
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「レビュー・オブ・サイエンティフィック・インスルメンツ（REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS）」，１９９３年８月，第６４巻，ｐ．２０８４〜２０８９
【非特許文献２】A. Smith, et al, “The M. D. Anderson proton therapy system”Med. Phys. Volume 36, Issue 9, pp. 4068-4083 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
スポットスキャン法において、将来ニーズとしてさらなる高精度な照射を目指し照射位置でのビーム径をより小さくする要求がある（例えば、非特許文献２）。一方、治療可能な患者数をなるべく増加させるための高線量率化の要求もある。ビーム径を小さくするとビーム位置の測定に要するモニタの高分解能化が必要となり、その演算のための時間がより長くなることが想定される。このように照射位置精度を担保し安全性を保つために実施されているビーム位置の測定及びその演算と判定の手段が複雑になるに従い、その時間が長期化し、スポットスキャン方式において必要な線量を照射するまでの時間内に占める増加して、照射時間が長くなる可能性がある。またその演算・判定時間の短縮化のためには演算用の回路や制御動作の高速化などが必要となる可能性がある。
【００１１】
本発明の目的は、スポットスキャン法によるビーム照射に際して、照射位置精度を担保し安全性を保つためのビーム照射位置・幅の演算と判定に要する時間が長くなった場合でも、照射位置精度を維持したまま照射時間を短縮できる荷電粒子ビーム照射システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、荷電粒子ビーム発生装置と、走査電磁石を有する照射装置と、照射線量計測装置と、ビーム位置計測装置とを備え、１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、走査電磁石の励磁電流を制御して荷電粒子ビームを走査し照射位置を次のスポットに変更する荷電粒子ビーム照射システムにおいて、荷電粒子ビーム位置検出装置からの信号に基づき、荷電粒子ビームの位置・幅を算出しかつこの荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱しているかどうかの判定を行い、演算値が許容値を逸脱している場合にインターロック信号を出力し、荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を停止する制御装置を備え、この制御装置は、荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算中にも荷電粒子ビームを照射するよう前記荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御する。
【００１３】
かかる構成により、照射位置精度を担保し安全性を保つためのビーム照射位置・幅の演算と判定を次のスポット（線量区画）の照射間にも実施できるため、その演算と判定に要する時間が長くなった場合でも照射時間を長くすることを避け、照射時間を短縮できる。
【００１４】
また、本発明においては、制御装置は、荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱していると判定した時点で、あるスポットに荷電粒子ビームが照射されている場合は、そのスポットへの照射完了を待って荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を停止する。これは照射中のスポットに対する照射を途中で中断した場合、その照射により生じる照射線量計測装置やビーム位置計測装置での信号出力が不足し、計測が不正確となるのを防止するためである。そして、本発明の制御装置は、１つのスポットへの荷電粒子ビームの照射開始以降、その後の荷電粒子ビームの走査完了の時点までの照射線量と、そのビーム走査完了の時点での次のスポットの照射線量の和が既定量未満であるときは、荷電粒子ビームの走査完了とともに次のスポットの照射を開始するが、照射線量の和が規定量を超えているときは、荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算が完了するまで、次のスポットの照射を開始しないよう荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御する。
【００１５】
かかる構成により、ビーム位置・幅の判定によるビーム出射を停止させるインターロック信号が既定の照射線量内にて完了し、照射の精度を向上させ正常組織への照射を低減することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、スポットスキャン法によるビーム照射に際して、照射位置精度を担保し安全性を保つためのビーム照射位置・幅の演算と判定に要する時間が長くなった場合でも、ビーム位置演算のための非常に高速な装置を用いずに、照射位置精度を維持したまま照射時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の好適な一実施形態（第１の実施形態）である荷電粒子ビーム照射システムの全体概略構成を表す図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムに用いる照射装置の構成を示す図である。
【図３】照射対象である患部の深さ方向の特定層を示す図である。
【図４】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムによるスポットスキャン法の第１の例の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】荷電粒子ビーム照射システムによるスポットスキャン法において走査時間を短縮化した状態で本発明を適用しない場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムによるスポットスキャン法において走査時間を短縮化した状態の第１の例の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の好適な一実施形態である荷電粒子ビーム照射システムによるスポットスキャン法において走査時間を短縮化した状態でスポット照射線量を変えた場合の第１の例の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明を適用しない場合の図４と図５のタイムチャートの動作を実現するフローチャートである。
【図９】本発明の好適な一実施形態を適用した図４、図６及び図７のタイムチャートの動作を実現するフローチャートである。
【図１０】本発明の好適な他の実施形態である荷電粒子ビーム照射システムによるスポットスキャン法の第２の例としてラスタースキャン法を適用した場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】本発明の好適な他の実施形態を適用した図１０のタイムチャートの動作を実現するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施形態である荷電粒子ビーム照射システムについて、図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における荷電粒子ビーム照射システムの全体構成を示す概略図である。
【００１９】
荷電粒子ビーム照射システム１００は、荷電粒子ビーム発生装置２００と、発生した荷電粒子ビームを治療室４００まで導くビーム輸送系３００と、治療室４００で患者４の患部４１（図２に記載）の形状に合わせて荷電粒子ビームを照射する照射装置５００と、制御装置６００とから構成される。
【００２０】
荷電粒子ビーム発生装置２００は、前段加速器２１と、前段加速器２１で予め加速した荷電粒子を所定のエネルギーまで加速したのち出射するシンクロトロン２０とを有する。（なお、このシンクロトロンに代えて、例えばサイクロトロン等のような前段加速器を有しない加速器を用いてもよい。）
シンクロトロン２０は、荷電粒子ビームを周回させるための複数の偏向電磁石２２及び複数の四極電磁石（図示せず）と、周回する荷電粒子ビームを加速させる加速装置２３と所定のエネルギーまで加速した荷電粒子ビームを出射する出射装置２４を有する。
【００２１】
出射装置２４は、出射用高周波印加電極（図示せず）を有し、この高周波印加電極が出射用スイッチ２５を介して高周波電源２６に接続されており、出射用スイッチ２５の開閉により荷電粒子ビームの出射をＯＮ／ＯＦＦする。
【００２２】
ビーム輸送系３００は、複数の偏向電磁石３１と複数の四極電磁石（図示せず）を有し、シンクロトロン２０から出射された荷電粒子ビームを照射装置５００に輸送するようになっている。
【００２３】
ここで、図２を用いて本実施形態による荷電粒子ビーム照射システムに用いる照射装置５００の構成について説明する。
【００２４】
照射装置５００は、ビーム輸送系３００で導かれた荷電粒子ビームを水平（図中Ｘ方向）、垂直（紙面に垂直方向）に走査し患者４の患部４１の形状に合致させるためのＸ方向走査電磁石５１ＡとＹ方向走査電磁石５１Ｂを有し、これらの走査電磁石５１Ａ，５１Ｂは走査電磁石用電源６１Ａ，６１Ｂとそれぞれ接続される。走査電磁石電源６１Ａ，６１Ｂは電源制御装置６２により制御される。走査電磁石５１Ａ，５１Ｂにより偏向された荷電粒子ビームは、ビーム位置モニタ５２Ａ及び線量モニタ５３Ａを通過し、照射標的である患部４１に照射される。ビーム位置モニタ５２Ａはビーム位置計測装置５２Ｂに接続され、ビーム位置計測装置５２Ｂは荷電粒子ビームの位置及び幅（広がり）を計測し、線量モニタ５３Ａは照射線量計測装置５３Ｂに接続され、照射線量計測装置５３Ｂは荷電粒子ビームの照射量を計測する。
【００２５】
ビーム位置モニタ５２ＡはＸ方向、Ｙ方向それぞれに一定間隔ごとに並行にワイヤーが張られた電離箱構造となっている。ワイヤーには高電圧が印加されており、荷電粒子ビームがビーム位置モニタ５２Ａを通過するとビーム位置モニタ５２Ａ内の空気が電離されその電荷量は最も近いワイヤーに集められる。ビーム位置計測装置５２Ｂは、各ワイヤー付近を通過して荷電粒子ビームの量に比例する信号をワイヤーより読みだすことで荷電粒子ビームの分布データを得ることが出来、ビーム位置すなわち分布の重心位置とビーム幅すなわち分布の標準偏差を算出することができる。なお、ビーム位置モニタ５２Ａにはワイヤーを張り信号を得るタイプ以外にも複数の電離箱を平面内に２次元に配置するタイプもありうる。
【００２６】
図２は、照射制御装置６４の処理機能も示しており、照射制御装置６４は、信号取得部６４Ａ、ビーム位置・幅演算部６４Ｂ、メモリ６４Ｃ、信号取得部６４Ｄ、照射線量演算部６４Ｅからなるスポット進行判定部６４Ｆを備えている。
【００２７】
ここで、図２及び図３を用いてスポットスキャン法について説明する。図３は、荷電粒子ビームの上流側から患部４１を見た説明図である。
【００２８】
図２に示したように患者４の患部４１に対して、その患部形状を３次元的な複数の深さ方向（図中Ｚ方向）の層に分割し、各層をさらに図３に示すように、荷電粒子ビームの進行方向を横切る方向である水平方向（図中Ｘ−Ｙ方向）に２次元的に分割して複数の線量区画４２（以下照射スポット）を設定する。深さ方向は荷電粒子ビームの到達進度に対応しシンクロトロンから出射される荷電粒子ビームのエネルギー変更、あるいは照射装置５００より上流でのエネルギー吸収体挿入などによる荷電粒子ビームのエネルギー変更により変更されて各層を選択的に照射する。各層内では図３に示す例えば４３のような経路に沿って走査電磁石５１Ａ，５１Ｂで荷電粒子ビームを２次元的に走査して各照射スポットに所定の線量を与える。各照射スポットに照射される荷電粒子ビームの量は線量モニタ５３Ａ及び照射線量計測装置５３Ｂで計測され、荷電粒子ビームの位置やその広がり（幅）はビーム位置モニタ５２Ａ及びビーム位置計測装置５２Ｂで計測される。
【００２９】
上述したスポットスキャン照射制御は照射制御装置６４によって行う。照射制御装置６４は、複数の照射スポットのうちの１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、走査電磁石５１Ａ又は５１Ｂの励磁電流を制御して荷電粒子ビームを走査し照射位置を次の照射スポットに変更する。また、本実施形態はいわゆるディスクリートスポットスキャン方式によるものであり、照射制御装置６４は、１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を停止し、このビーム出射の停止状態で、走査電磁石５１Ａ又は５１Ｂの励磁電流を制御して荷電粒子ビームを走査し照射位置を次の照射スポットに変更し、この変更後に、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を開始するよう制御する。
【００３０】
また、照射制御装置６４は、ビーム位置モニタ５２Ａ及びビーム位置計測装置５２Ｂから得られた信号を照射制御装置６４内の信号取得部６４Ａより読み出した後、ビーム位置・幅演算部６４Ｂにてビーム位置とその幅を演算し、この荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱しているかどうかを判定する。そして、荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱している場合は中央制御装置６５を介して加速器制御装置６６にインターロック信号を出力し、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を停止する。
【００３１】
ここで、より正確な位置や幅の測定のためにはビーム位置モニタ５２Ａは荷電粒子ビームの幅に対して十分小さい間隔のワイヤーを備えている必要があり、高精度な照射を目指して照射位置でのビーム径をより小さくした場合は、ビーム位置モニタ５２Ａに到達する荷電粒子ビームの幅が小さければ小さいほどそのワイヤー間間隔を小さくせざるを得ない。また照射可能な患部の大きさ、すなわち照射装置としての最大照射野サイズを大きくすればビーム位置モニタ５２Ａの測定可能な領域を大きくせざるを得ず、演算に用いる信号の数が大きくなる。このように演算に用いる信号の数が大きくなると、ビーム照射位置・幅の演算と判定に要する時間が長くなることが想定される。本実施の形態は、ビーム照射位置・幅の演算と判定に要する時間が長くなった場合でも、ビーム位置演算のための非常に高速な装置を用いずに、照射位置精度を維持したまま照射時間を短縮することができるようにしたものである。以下にその詳細を説明する。
【００３２】
まず、図４のタイムチャートを用いて本実施形態の荷電粒子ビーム照射システムによるスポットスキャン法の第１の例の動作について説明する。この実施形態は、上述したように、照射スポットへ荷電粒子ビームを照射した後の照射スポット位置を変更する間には荷電粒子ビーム照射を照射しない、いわゆるディスクリートスポットスキャン方式によるものである。
【００３３】
図４のタイムチャートは図３に示した患部内のある層を照射している間の動作を示す。
【００３４】
図４において、横軸は時間ｔを示している。図４（Ａ）の縦軸は照射制御装置６４から中央制御装置６５、加速器制御装置６６を介し出射用スイッチ２５に出力する開閉信号、すなわち荷電粒子ビームの出射を制御するビームＯＮ／ＯＦＦ信号である。図４（Ａ）に４つのＯＮ状態、すなわち４つの照射スポットがあるので、これらをそれぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４とする。ここで、最初のビームＯＮ信号は、医師やセラピストが照射開始を指示した後、例えばシンクロトロン２０のビーム入射、加速等のプロセスを経て、荷電粒子ビーム発生装置２００のを含むシステム全体の動作準備が完了し、荷電粒子ビームが照射可能な状態になった時点で発生する。
【００３５】
図４（Ｂ）の縦軸は照射された荷電粒子ビームの照射量を線量モニタ５３Ａ及び照射線量計測装置５３Ｂで測定したもので、ビームＯＮと同時に照射量が積算されていき、その計測信号は照射制御装置６４の信号取得部６４Ｄを介して照射線量演算部６４Ｅに取り込まれる。照射線量演算部６４Ｅは、積算線量が予め定められた量に達したところでビームＯＦＦし、測定量を照射制御装置６４のメモリ６４Ｃにて記憶後、照射線量計測装置５３Ｂはリセットされる。なおここでは線量モニタ５３Ａ及び照射線量計測装置５３Ｂで計測される照射量を照射スポット毎にリセットするよう図示しているが、常に積算しその差分で照射量を判定してもよい。
【００３６】
図４（Ｃ）は実際の荷電粒子ビームの照射電流を示しており、図４（Ｂ）で示した通り所定の線量に達してビームＯＦＦとなった後にもＯＦＦの反応時間があるため、微小な量の荷電粒子ビームが照射されることを示している。
【００３７】
図４（Ｄ）の縦軸は図４（Ｃ）で示した照射ビームの位置・幅を測定するビーム位置モニタ５２Ａ及びビーム位置計測装置５２Ｂの測定状態を示し、例えば照射スポットＳ１の計測、すなわちＭ１の区間での信号収集を照射制御装置６４の信号取得部６４Ａが行う。図４（Ｄ）に示したビーム位置計測装置の信号収集が完了した後、ビーム位置・幅演算部６４Ｂは、その取得した信号を基にビーム位置や幅（標準偏差）を演算し、予め照射制御装置６４のメモリ６４Ｃに設定されている許容値と比較しビーム位置・幅の値が所望の誤差範囲内にあるかどうかを判定する。図４（Ｅ）の縦軸はそのビーム位置・幅の演算実施状態を示しており、例えば照射スポットＳ１に対応した区間Ｍ１の測定信号を用いた演算を区間Ｃ１にてビーム位置・幅演算部６４Ｂが実施する。
【００３８】
ビーム位置・幅の演算結果が許容値を逸脱した場合には照射制御装置６４がインターロック信号を発生し、次の照射スポットへの進行を停止させる。例えば照射スポットＳ１のビーム位置・幅演算結果が許容値を逸脱した場合には区間Ｃ１終了後、図４中のタイミングＴ１にて進行が停止する。
【００３９】
図４（Ｆ）の縦軸は、図３に示したように荷電粒子を２次元的に走査する場合の走査電磁石電源６１Ａあるいは６１Ｂの電流パターンを示している。このパターンは照射制御装置６４において予め定められたパターンとなっており、各照射スポットでの照射線量が既定値に達し照射ビームが停止した後に順次励磁量を変更し、照射位置を変更する動作を示している。
【００４０】
図４（Ｇ）の縦軸は走査電磁石電源６１Ａ又は６１Ｂの状態を示し、励磁電流を変更して電流偏差が所望の範囲から逸脱している間は走査電磁石電源６１Ａ又は６１ＢをＯＮ（以下走査中状態ＯＮという）、例示電流の変更が完了し電流偏差が所望の範囲内に入ったことを判定した後に走査電磁石電源６１Ａ又は６１ＢをＯＦＦ（以下走査中状態ＯＦＦという）する。すなわち、照射スポットＳ１に荷電粒子ビームを照射後に区間Ｂ１にて次の照射スポットへの照射位置変更を実施している。
【００４１】
図４において、照射スポットＳ２の照射開始は照射スポットＳ１照射後の照射位置変更、すなわち図４（Ｇ）の走査中状態ＯＮが完了したタイミングとなる。照射スポットＳ１完了後の流れが照射スポットＳ２照射後も繰り返され、図３に示したような２次元の走査が進行する。
【００４２】
図４（Ａ）から（Ｆ）までの一連の動作を繰り返し、図３に示した患部４１のある深さ方向の層について荷電粒子ビームを照射する。各照射スポットの照射線量、照射位置、それに対応した走査電磁石電源６１Ａ，６１Ｂの励磁量は予め定められた治療計画に従い、その内容は治療開始前に治療計画装置６７から中央制御装置６５に送信され、照射制御装置６４内のメモリ６４Ｃに保存される。その内容に従い照射制御装置６４は走査電磁石電源６１Ａ，６１Ｂの励磁パターンを定め、また中央制御装置６５では患部４１を深さ方向に層状に分割した深さに対応するエネルギーを加速器制御装置６６に送信し、該当するエネルギーでの運転を実施する。患部４１の１層を照射完了した場合には、別の層に相当するエネルギーでの運転を実施するようエネルギー切り替え指示を送信する。これらを繰り返すことによって患部４全体の照射を完了する。
【００４３】
ここで、図４（Ｅ）の区間Ｃ１の時間をｔＣ１、図４（Ｇ）の区間Ｂ１の時間をｔＣ２とすると、図４の場合にはｔＣ１＜ｔＢ１となっているため、照射スポットＳ１のＯＦＦから次の照射スポットＳ２のＯＮに至るまでの時間は区間Ｂ１の長さで決まっている。
【００４４】
また、ビーム位置・幅の演算後の許容値判定するタイミングＴ１は走査中状態ＯＮを示す区間Ｂ１内で生じているため、判定の結果許容値外となった場合には次の照射スポットＳ２の照射開始前にビーム停止となる。以降照射スポットＳ２、Ｓ３についても同様である。
【００４５】
次に、ビーム位置・幅判定時間ｔＣ１と走査中時間ｔＢ１の時間の大小が逆転する、すなわちｔＣ１＞ｔＢ１となる場合を考える。こういったケースは図３に示した照射スポットの間隔を狭めてより高精細な照射を実施する場合、走査電磁石電源の性能を向上させより短時間で大きな励磁量を変更できるようにした場合、あるいはより高精度なビーム位置・幅の計測を実施するためにビーム位置計測装置のワイヤーすなわち測定チャンネルを増やし演算に用いるチャンネル数が増加、もしくは計算が複雑化したりする場合に、発生し得る。
【００４６】
従来のディスクリートスポットスキャン方式による図４と同様なタイミングチャートを、ビーム位置・幅判定時間ｔＣ１が走査中時間ｔＢ１の時間よりも大きくなった場合について図５に示す。図５（Ａ）から（Ｇ）までの縦軸は図４と同様である。従来のディスクリートスポットスキャン方式では、照射スポットへの荷電粒子ビーム照射後には図５（Ｅ）に示すビーム位置・演算がＯＦＦする、すなわち判定が完了するまで次の照射スポットの照射には移行しない。したがって、照射スポットＳ１の照射後図５のタイミングＴ１まで経過してから次の照射スポットＳ２に移行していた。
【００４７】
この場合、高精細な照射のために照射スポットの間隔を狭めても、あるいは走査電磁石用電源の性能を向上させて走査速度を向上させても、全体の照射時間が短縮できない。またビーム位置・幅の演算速度を向上させて図４の状況に戻すためには、その向上のための高価かつ複雑な演算装置が必要となる。
【００４８】
これを解決する本実施形態の動作を図６のタイミングチャートを用いて説明する。図６（Ａ）から（Ｇ）までの縦軸は図４と同様である。
【００４９】
図６に示した通り、図５と同様にビーム位置・幅判定時間ｔＣ１が走査中時間ｔＢ１の時間よりも大きくなっている。しかしながら図６（Ｅ）のビーム位置・幅の判定中に次の照射スポットの照射を開始している。以下図６を用いて動作を説明する。
【００５０】
図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の動作は図４と同様で、図６（Ｄ）の区間Ｃ１で測定した信号を基に図６（Ｅ）の区間Ｃ１でビーム位置・幅の演算を実施する。
【００５１】
一方、図６（Ｆ），（Ｇ）に示す通り走査電磁石の走査中状態ＯＮを表す区間Ｂ１が判定完了より前にＯＦＦしている。図５に示した動作では区間Ｃ１のＯＦＦ後に次の照射スポットＳ２の照射を開始しているが、本発明では走査中状態ＯＮが完了するとともに次照射スポットＳ２の照射を開始する。
【００５２】
したがって、図６（Ｅ）に示すビーム位置・幅演算に対応する区間Ｃ１の完了判定タイミングＴ１は次の照射スポットＳ２の照射中に発生する。ここで、好ましくは、ビーム位置・幅の演算結果が予め定められた許容値を逸脱しビームを停止する要求が発生しても、直ちにはビームの照射を停止せず照射スポットＳ２の照射完了を待ってタイミングＴ１‘にて照射スポットに対する照射の進行を停止する動作とする。これは照射スポットＳ２に対する照射を途中で中断した場合、その照射により生じる線量モニタ５３Ａ及び照射線量計測装置５３Ｂやビーム位置モニタ５２Ａ及びビーム位置計測装置５２Ｂでの信号出力が不足し、計測が不正確となるのを防止するためである。この場合、照射スポットＳ１と照射スポットＳ２の照射量の和が、照射スポットＳ１の判定結果が万が一異常があった場合にはビーム停止に至るまでの照射となるため、その和が予め定められた既定量未満となるようにする。例えばその照射線量（規定量）は、その照射が及ぼす線量分布全体への寄与が軽微となる基準から定めておくとよい。
【００５３】
あるいは、図６（Ｅ）に示すビーム位置・幅演算に対応する区間Ｃ１の完了判定タイミングＴ１が照射スポットＳ２照射中に発生した場合に直ちにビーム停止信号を発生させてビーム停止してもよい。
【００５４】
この動作により、高精細な照射のために照射スポットの間隔を狭める、あるいは走査電磁石用電点の性能を向上させて走査速度を向上させたことによる照射スポット間走査時間の短縮によってビーム位置・幅判定時間ｔＣ１が走査中時間ｔＢ１の時間よりも大きくなったｔＣ１＞ｔＢ１となる場合についても、照射時間の短縮が実現可能となる。
【００５５】
またより高精度なビーム位置・幅の計測を実施するためにビーム位置モニタ５２Ａのワイヤーすなわち測定チャンネルを増やし演算に用いるチャンネル数が増加、もしくは計算が複雑化した場合でも、その演算時間が長くなることによる照射時間の伸長を抑制可能となる。
【００５６】
また本発明の動作では、図３に示したような照射スポットにおいてそれらの間隔が飛び飛びになり距離が長くなった場合には走査中時間が延びる。その場合ビーム位置・幅判定時間ｔＣ１が走査中時間ｔＢ１の時間よりも小さい、すなわちｔＣ１＜ｔＢ１となる場合には、図４と同様の動作となる。
【００５７】
次に図７には、本発明において照射スポットの照射線量が小さくスポットへの照射時間が短い場合のタイムチャートを示す。図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の動作は図４と同様で、図６（Ｄ）の区間Ｍ１で測定した信号を基に図６（Ｅ）の区間Ｃ１でビーム位置・幅の演算を実施する。図７では照射スポットＳ２の照射量が小さく照射時間が短いため、演算時間ｔＣ１が照射スポットＳ１からＳ２までの走査中時間ｔＢ１、スポットＳ２の照射に対応したビーム位置計測時間ｔＭ２、スポットＳ２からＳ３への走査中時間ｔＢ２の合計よりも長くなっている。図７の例は、照射スポットＳ１の判定終了までに照射してよい照射線量として予め定められた既定値が照射スポットＳ１とＳ２の照射量の和よりは大きく照射スポットＳ１、Ｓ２とＳ３の照射量の和よりも小さい場合で、図７（Ｅ）の判定区間Ｃ１完了後のタイミングＴ１まで照射スポットＳ３の照射を開始しない。
【００５８】
図８は、図４及び図５のタイムチャートに示した本発明を適用しない場合の比較例の動作を実現するフローチャートであり、図４は前述の通りビーム位置・幅判定時間ｔＣ１と走査中時間ｔＢ１の時間の関係がｔＣ１＜ｔＢ１となる場合、図５はｔＣ１＞ｔＢ１となる場合である。
【００５９】
図８のフローチャートでは、ステップ７０１で照射開始し、ビームＯＦＦの時間まで含めてステップ７０２で照射完了後ビーム走査及びビーム位置・幅の演算ステップ７０３に移行する。ステップ７０４でビーム走査完了になった時点でステップ７０５のビーム位置・幅の演算完了となっていればステップ７０６に移行する。ステップ７０６でビーム位置・幅の判定を行い正常であればステップ７０７の次スポット照射移行に進み、ステップ７０９の次スポット照射を開始し、異常であればステップ７０８に進み、照射停止となる。
【００６０】
図８のフローチャートでは、ビーム走査完了ステップ７０４とビーム位置・幅演算完了ステップ７０５の両者が成立しない限り次のスポットへ移行しないため、図５のｔＣ１＞ｔＢ１となる場合、すなわちビーム位置・幅判定時間が走査中時間よりも大きい場合には、スポット進行はビーム位置・幅判定時間経過後となる。
【００６１】
図９は、図４、図６及び図７のタイムチャートに示した、そのような問題を解決する本実施形態の動作を実現するフローチャートである。照射制御装置６４には図９のフローチャートに対応するプログラムが格納されており、スポット進行判定部６４Ｆがそのプログラムに基づいて図９のフローチャートの処理を実行する。
【００６２】
図９のフローチャートでは、ビーム位置幅演算完了を判定するステップ７０５までは図８と同様に進行した後、ビーム走査完了の条件下でビーム位置幅演算が完了していない場合にステップ７１０に進む。
【００６３】
ステップ７１０では、スポット照射開始以降、ステップ７０４のビーム走査完了の時点までの照射線量と、ビーム走査完了の時点での次のスポットの照射線量の和（次スポットを含めた線量和）が予め定められた既定量に達していない（次スポットを含めた線量和＜規定量）かどうかを判定する。そして、この判定が肯定されればステップ７０７の次スポット照射移行に進み、ステップ７０９の次スポット照射開始へ進む。
【００６４】
ここで、各スポットの目標線量は治療計画で予め設定され、治療開始前に治療計画装置６７から中央制御装置６５に送信され、照射制御装置６４内のメモリ６４Ｃに保存されている。スポットＳ１の照射線量は治療計画で予め設定されメモリ６４Ｃに保存された目標線量であってもよい。スポットＳ２の線量は治療計画で予め設定されメモリ６４Ｃに保存された目標線量である。
【００６５】
ステップ７１０の判定における線量の関係を図６を用いて説明する。
【００６６】
スポット照射開始以降ビーム走査完了の時点ＴＢ１までの照射線量であるスポットＳ１の照射線量（計測値）と、ビーム走査完了の時点ＴＢ１での次のスポットであるスポットＳ２の線量の和が既定量を超えているかどうかを判定し、超えていなければ、ステップ７１０の判定が肯定され、次スポット照射、すなわちスポットＳ２の照射に移行する。
【００６７】
スポットＳ２の照射中にビーム位置・幅演算完了ステップ７０５が成立した後、ステップ７０６でビーム位置幅判定が異常となった場合には、ステップ７１１にてスポット照射が完了している状態かどうかを判定し、完了状態であれば照射停止ステップ７０８に移行、照射中の状態であれば照射完了を待つ。これにより、図６（Ｅ）のビーム位置幅演算中Ｃ１が終了するタイミングＴ１で異常が発生した場合であってもスポットＳ２を照射完了してからビーム停止する動作となる。
【００６８】
図７は、スポットＳ１の判定中に複数スポットを照射する場合である。スポットＳ２の照射と２度目のビーム走査を完了し、ステップ７１０まで進行後、スポット照射開始以降、２度目のビーム走査完了の時点ＴＢ２までの照射線量である、図７中のスポットＳ１、Ｓ２の線量と、２度目のビーム走査完了の時点ＴＢ２での次のスポットであるスポットＳ３の線量の和が既定量を超えているかどうかを判定し、超えているとステップ７１０にて判定した場合にステップ７１０の判定が否定され、ステップ７０５に戻る。そして、ステップ７０５のビーム位置演算完了とステップ７０６の位置・幅演算完了までスポットＳ３の照射開始を待つ動作となる。
【００６９】
ここで、ステップ７０５でビーム位置・幅の演算が完了しておらず、ステップ７１０で次スポットを含めた線量和が予め定められた既定量に達している場合にステップ７０７の次スポット照射移行に進み、ステップ７０９の次スポット照射開始へ進むことは、各照射スポット照射後そのスポットに照射されたビームについてその位置や幅の判定のための演算を実施している間にも既定の照射線量を許容することを意味する。
【００７０】
なお、図９のフローチャートで示す本実施形態を適用すれば、図４のようにビーム位置・幅判定時間ｔＣ１と走査中時間ｔＢ１の時間の関係がｔＣ１＜ｔＢ１となる場合はステップ７０４のビーム走査完了時点でステップ７０５のビーム位置・幅演算も完了しているので、図４の動作も実現可能である。
【００７１】
以上のように本実施形態においては、照射制御装置６４は、荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算中にも荷電粒子ビームを照射するよう荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御する。また、照射制御装置６４は、１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算が完了する前であっても、荷電粒子ビームの走査が完了した場合は、そのビーム走査完了とともに次のスポットの照射を開始するよう荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御する。これによりディスクリートスポットスキャン方式によるビーム照射に際して、照射位置精度を担保し安全性を保つためのビーム照射位置・幅の演算と判定に要する時間が長くなった場合でも、ビーム位置演算のための非常に高速な装置を用いずに、照射位置精度を維持したまま照射時間を短縮することができる。
【００７２】
また、照射制御装置６４は、荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱していると判定した時点で、あるスポットに荷電粒子ビームが照射されている場合は、そのスポットへの照射完了を待ってインターロック信号を出力し、荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を停止するよう制御する。そして、１つのスポットへの荷電粒子ビームの照射開始以降、その後の荷電粒子ビームの走査完了の時点までの照射線量と、そのビーム走査完了の時点での次のスポットの照射線量の和が既定量未満であるときは、荷電粒子ビームの走査完了とともに次のスポットの照射を開始するが、照射線量の和が規定量を超えているときは、荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算が完了するまで、次のスポットの照射を開始しないよう荷電粒子ビーム発生装置２００からの荷電粒子ビームの出射を制御する。これによりビーム位置・幅の判定によるビーム出射を停止させるインターロック信号が既定の照射線量内にて完了し、照射の精度を向上させ正常組織への照射を低減することができる。
【００７３】
以上の通り本実施形態では、各照射スポット照射後そのスポットに照射されたビームについてその位置や幅の判定のための演算を実施している間にも荷電粒子ビームの照射を許容することで照射スポット間のビーム停止時間を短縮化可能となる。
【００７４】
この効果を数値の例を示して図５及び図６を用いて示す。本発明を適用していない図５において図５（Ｃ）の照射電流がＯＮとなっている各照射スポットのビームＯＮ時間ｔＯＮ（＝ビーム位置計測時間）を４ｍｓ、図５（Ｅ）のビーム位置幅の演算時間ｔＣ１を３ｍｓ、図５（Ｇ）の走査中時間ｔＢ１を１．５ｍｓとすると、１つの照射スポットが進行するのに要する時間はｔＯＮ＋ｔＣ１で決まり７ｍｓとなる。一方、本発明を適用した図６では同じく１つの照射スポットが進行するのに要する時間はｔＯＮ＋ｔＢ１で決まり５．５ｍｓ７となって、１スポットあたり１．５ｍｓの時間短縮となる。例えば１０ｃｍ四方の体積１リットルの立方体を照射するために必要な照射スポット数を１０，０００とすれば、本発明を適用していない図５では７ｍｓ×１０，０００スポットの７０秒の照射時間に対し、本発明を適用した図６では５．５ｍｓｘ１０，０００スポットの５５秒の照射時間となり、１５秒の照射時間短縮化が見込まれる。本発明を用いずに同じ効果を得るには、ビーム位置幅の演算時間ｔＣ１を短縮するために照射制御装置の演算能力を向上させる必要があるが、本発明ではその必要はない。
＜第２の実施の形態＞
次に、図１０及び図１１を用いて本発明の第２の実施の形態による荷電粒子ビーム照射システムについて説明する。本実施形態のスポットスキャン法は、各照射スポットへ荷電粒子ビームを目標線量だけ照射した後、荷電粒子ビームを走査して照射スポットを変更する間にも荷電粒子ビームを照射する、いわゆるラスタースキャン方式によるものである。なお、本実施形態における荷電粒子ビーム照射システムの全体構成と照射制御装置の構成は図１及び図２に示したものと同様である。
【００７５】
本実施の形態において、上述したラスタースキャン方式によるスポットスキャン照射制御は照射制御装置６４が荷電粒子ビーム発生装置２００からのビーム出射を制御することによって行う。
【００７６】
ラスタースキャン方式では、ビームの照射を停止するのは図３に示した患部のある一層を照射中に照射スポット間の間隔が大きくなりその間に照射する線量が無視できなくなるような場合や、同じく図３に示したある１層を照射完了し別の深さの層に変更する、すなわち照射装置５００に入射する荷電粒子ビームのエネルギーを変更する場合、また許容できないビーム停止要因が発生した場合となる。
【００７７】
図１０のタイムチャートは本実施形態による図３に示した患部内のある層を照射している間の動作を示す。
【００７８】
図１０において、横軸は時間ｔを示している。図１０（Ａ）の照射スポットの進行を示し、各区間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が各照射スポットへの照射区間を示す。
【００７９】
図１０（Ｂ）の縦軸は荷電粒子ビーム発生装置２００から出射されビーム輸送系３００を通じ照射装置５００に入射する荷電粒子ビーム電流を示す。
図１０（Ｃ）の縦軸は照射装置５００内の線量モニタ５３Ａ及び照射線量計測装置５３Ｂの計測線量の積算値を示す。
【００８０】
図１０（Ｄ）の縦軸は走査電磁石電源６１Ａあるいは６１Ｂの励磁電流を示す。図１０（Ｃ）に示した照射積算量が各スポットに予め定められた、計画線量に達すると同時にその照射スポットの照射を完了したこととし、次の照射スポットへの移動を開始する。したがって、照射スポットへの照射はまず走査電磁石励磁量変更中に行われ、その励磁量変更が終了した後計画された線量に達するまで走査電磁石５１Ａ又は５１Ｂの励磁量変更を停止し、線量が計画値に達したと同時に次のスポットへ移行するための走査電磁石５１Ａ又は５１Ｂの励磁電流を変更する、という動作を繰り返す。そして、それらの間にも荷電粒子ビームは照射され続ける。
【００８１】
図１０（Ｅ）の縦軸は各照射スポットでのビーム位置モニタ５２Ａ及びビーム位置計測装置５２Ｂの計測状態を示し、上記の通り、走査中及び走査停止中の線量が既定値に達するまでの区間Ｍ１にビーム位置モニタ５２Ａ及びビーム位置計測装置５２Ｂにて各照射スポットでのビーム位置の計測を行う。
【００８２】
図１０（Ｆ）の縦軸は各照射スポット照射完了後のビーム位置・幅の演算状態を示す。図１０（Ｅ）に示したビーム位置計測装置の信号収集が完了した後、ビーム位置・幅演算部６４Ｂは、その取得した信号を基にビーム位置や幅（標準偏差）を演算し、予め照射制御装置６４のメモリ６４Ｃに設定されている許容値と比較しビーム位置・幅の値が所望の誤差範囲内にあるかどうかを判定する。図１０（Ｆ）の縦軸はそのビーム位置・幅の演算実施状態を示しており、例えば照射スポットＳ１に対応した区間Ｓ１の測定信号を用いた演算を区間Ｃ１にてビーム位置・幅演算部６４Ｂが実施する。
【００８３】
ここで、本実施形態では、図１０に示す通り、各スポットの照射時間が（Ｆ）のビーム位置・幅演算時間より長い、すなわち例えば区間Ｓ２の時間が区間Ｃ１の時間より長い状態である必要があるため、スポット毎の照射量を照射電流で除すことによって得られる照射時間がビーム位置・幅演算時間よりも長くなるように各スポットの荷電粒子ビームの照射電流を予め定めておく必要がある。この照射ビーム電流の制御は、図１に点線で示すように、高周波電源２６の出射用高周波の出力を調整することで可能となる。
【００８４】
図１１は、図１０のタイムチャートに示した本実施形態の動作を実現するフローチャートである。図２に示した照射制御装置６４には図１１のフローチャートに対応するプログラムが格納されており、スポット進行判定部６４Ｆがそのプログラムに基づいて図９のフローチャートの処理を実行する。図１１のフローチャートを用いて、図１０のタイムチャートに示したスポットＳ１の照射完了後の動作を代表して説明する。
【００８５】
ステップ８０１で照射開始後のステップ８０２、スポットＳ１の照射完了後、前述の通り照射スポットを変更する間にも荷電粒子ビーム照射を続行するラスタースキャン方式のため、ステップ８０３の通り次スポットＳ２の照射を開始する。照射開始とともにステップ８０４のビーム走査、及びビーム位置・幅演算を開始する。
【００８６】
スポットＳ２の線量満了まで照射を続け、ステップ８０５の線量満了判定が正となった時点でスポットＳ１のビーム位置幅判定８０６が正常であればステップ８０７次スポット（Ｓ３）照射に移行する。ステップ８０６のビーム位置判定が異常となった場合にはステップ８０９の照射停止に移行する。
【００８７】
ここで、ステップ８０５の線量満了時点でステップ８０６のビーム位置・幅判定を可能とするためには、スポットの照射時間、フローチャートの例で示せばスポットＳ２の照射時間がビーム位置・幅の演算時間（図８のＣ１に相当）よりも長くなることが必要である。そのために上述したように、スポットＳ２の計画照射量に対しスポット照射時間が長くなるように各スポットの荷電粒子ビーム照射電流が設定されている。この照射電流は事前に計算され、照射制御装置６４のメモリ６４Ｃに記憶されている。
【００８８】
以上のように本実施形態では、照射制御装置６４は、複数の照射スポットの各スポットにおける照射時間がビーム位置検出装置５３Ｂからの信号に基づくビームの位置・幅の演算時間よりも長くなるように設定し、照射線量計測装置５３Ｂで計測する１つのスポットの照射線量が目標線量に到達した後、次のスポットへの照射を開始するとともにビーム位置検出装置５３Ｂからの信号に基づく荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算を開始する。また、照射制御装置６４は、複数の照射スポットの各スポットにおける照射時間がビーム位置検出装置５３Ｂからの信号に基づくビームの位置・幅の演算時間よりも長くなるように各スポットの荷電粒子ビームの照射電流を制御する。
【００８９】
これにより本実施形態では、各照射スポット照射終了後にそのスポットに照射されたビームについて、そのビーム位置や幅の判定のための演算を実施している間にも荷電粒子ビームの照射を許容するため、ラスタースキャン方式であっても各照射スポットのビーム位置や幅の判定を実施可能となる。
【符号の説明】
【００９０】
２０ シンクロトロン
２１ 前段加速器
２２ 偏向電磁石
２３ 加速装置
２４ 出射装置
２５ 出射用スイッチ
２６ 高周波電源
３１ 偏向電磁石
４ 患者
４１ 患部
４２ 線量区画（照射スポット）
４３ 照射経路
５１Ａ，５１Ｂ 走査電磁石
５２Ａ ビーム位置モニタ
５２Ｂ ビーム位置計測装置
５３Ａ 線量モニタ
５３Ｂ 照射線量計測装置
６１Ａ，６１Ｂ 走査電磁石電源
６２ 走査電磁石電源制御装置
６４ 照射制御装置
６４Ａ モニタ信号取得部
６４Ｂ ビーム位置・幅演算部
６４Ｃ メモリ
６４Ｄ モニタ信号取得部
６４Ｅ 照射線量演算部
６４Ｆ スポット進行判定部
６５ 中央制御装置
６６ 加速器制御装置
６７ 治療計画装置
１００ 荷電粒子ビーム照射システム
２００ 荷電粒子ビーム発生装置
３００ ビーム輸送系
４００ 治療室
５００ 照射装置
６００ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速して出射する荷電粒子ビーム発生装置と、
前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを偏向して走査面上で走査する走査電磁石を有する照射装置とを備え、
前記荷電粒子ビームの照射標的を前記荷電粒子ビームの進行方向を横切る方向に２次元的に分割してなる複数の照射スポットが設定され、
前記複数の照射スポットのうちの１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し照射位置を次の照射スポットに変更する荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記複数の照射スポットの各々に照射される荷電粒子ビームの線量を検出する照射線量計測装置と、
前記複数の照射スポットの各々に照射される荷電粒子ビームの位置・幅を検出するビーム位置計測装置と、
前記荷電粒子ビーム位置検出装置からの信号に基づき、前記荷電粒子ビームの位置・幅を算出し、この荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱しているかどうかを判定し、前記荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱している場合に前記荷電粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームの出射を停止する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算中にも前記荷電粒子ビームを照射するよう前記荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項２】
請求項１記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記制御装置は、
前記１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、前記荷電粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームの出射を停止し、このビーム出射の停止状態で、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し照射位置を次の照射スポットに変更し、この変更後に、前記荷電粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームの出射を開始するよう制御し、かつ
前記１つのスポットに照射される前記荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算が完了する前であっても、前記荷電粒子ビームの走査が完了した場合は、そのビーム走査完了とともに次のスポットの照射を開始するよう前記荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項３】
請求項１記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記制御装置は、
前記１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、前記荷電粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームの出射を停止し、このビーム出射の停止状態で、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し照射位置を次の照射スポットに変更し、この変更後に、前記荷電粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームの出射を開始するよう制御し、かつ
前記荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱していると判定した時点で、あるスポットに前記荷電粒子ビームが照射されている場合は、そのスポットへの照射完了を待って前記荷電粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームの出射を停止し、かつ
前記１つのスポットへの前記荷電粒子ビームの照射開始以降、その後の前記荷電粒子ビームの走査完了の時点までの照射線量と、そのビーム走査完了の時点での次のスポットの照射線量の和が既定量未満であるときは、前記荷電粒子ビームの走査完了とともに次のスポットの照射を開始し、前記照射線量の和が前記規定量を超えているときは、前記荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算が完了するまで、次のスポットの照射を開始しないよう前記荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項４】
請求項１記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記制御装置は、
前記１つのスポットに照射する前記荷電粒子ビームの線量が目標線量に達した後、前記荷電粒子ビームを走査して照射位置を次のスポットに変更する間にも前記荷電粒子ビームを照射するよう前記荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御し、
前記複数の照射スポットの各スポットにおける照射時間が前記ビーム位置検出装置からの信号に基づく前記ビームの位置・幅の演算時間よりも長くなるように設定し、
前記照射線量計測装置で計測する前記１つのスポットの照射線量が目標線量に到達した後、次のスポットへの照射を開始するとともに前記ビーム位置検出装置からの信号に基づく前記荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算を開始することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項５】
請求項１記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記制御装置は、
前記１つのスポットに照射する前記荷電粒子ビームの線量が目標線量に達した後、前記荷電粒子ビームを走査して照射位置を次のスポットに変更する間にも前記荷電粒子ビームを照射するよう前記荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御し、
前記複数の照射スポットの各スポットにおける照射時間が前記ビーム位置検出装置からの信号に基づく前記ビームの位置・幅の演算時間よりも長くなるように前記各スポットにおける荷電粒子ビームの照射電流を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速して出射する荷電粒子ビーム発生装置と、
前記荷電粒子ビーム発生装置から出射された荷電粒子ビームを偏向して走査面上で走査する走査電磁石を有する照射装置とを備え、
前記荷電粒子ビームの照射標的を前記荷電粒子ビームの進行方向を横切る方向に２次元的に分割してなる複数の照射スポットが設定され、
前記複数の照射スポットのうちの１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し照射位置を次の照射スポットに変更する荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記複数の照射スポットの各々に照射される荷電粒子ビームの線量を検出する照射線量計測装置と、
前記複数の照射スポットの各々に照射される荷電粒子ビームの位置・幅を検出するビーム位置計測装置と、
前記荷電粒子ビーム位置検出装置からの信号に基づき、前記荷電粒子ビームの位置・幅を算出し、この荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱しているかどうかを判定し、前記荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱している場合に前記荷電粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームの出射を停止する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算中にも前記荷電粒子ビームを照射するよう前記荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項２】
請求項１記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記制御装置は、
前記１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、前記荷電粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームの出射を停止し、このビーム出射の停止状態で、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し照射位置を次の照射スポットに変更し、この変更後に、前記荷電粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームの出射を開始するよう制御し、かつ
前記１つのスポットに照射される前記荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算が完了する前であっても、前記荷電粒子ビームの走査が完了した場合は、そのビーム走査完了とともに次のスポットの照射を開始するよう前記荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項３】
請求項１記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記制御装置は、
前記１つのスポットに照射される荷電粒子ビームの照射線量が目標線量に達したときに、前記荷電粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームの出射を停止し、このビーム出射の停止状態で、前記走査電磁石の励磁電流を制御して前記荷電粒子ビームを走査し照射位置を次の照射スポットに変更し、この変更後に、前記荷電粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームの出射を開始するよう制御し、かつ
前記荷電粒子ビームの位置・幅の演算値が許容値を逸脱していると判定した時点で、あるスポットに前記荷電粒子ビームが照射されている場合は、そのスポットへの照射完了を待って前記荷電粒子ビーム発生装置からの前記荷電粒子ビームの出射を停止し、かつ
前記１つのスポットへの前記荷電粒子ビームの照射開始以降、その後の前記荷電粒子ビームの走査完了の時点までの照射線量と、そのビーム走査完了の時点での次のスポットの照射線量の和が既定量未満であるときは、前記荷電粒子ビームの走査完了とともに次のスポットの照射を開始し、前記照射線量の和が前記規定量を超えているときは、前記荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算が完了するまで、次のスポットの照射を開始しないよう前記荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項４】
請求項１記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記制御装置は、
前記１つのスポットに照射する前記荷電粒子ビームの線量が目標線量に達した後、前記荷電粒子ビームを走査して照射位置を次のスポットに変更する間にも前記荷電粒子ビームを照射するよう前記荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御し、
前記複数の照射スポットの各スポットにおける照射時間が前記ビーム位置検出装置からの信号に基づく前記ビームの位置・幅の演算時間よりも長くなるように設定し、
前記照射線量計測装置で計測する前記１つのスポットの照射線量が目標線量に到達した後、次のスポットへの照射を開始するとともに前記ビーム位置検出装置からの信号に基づく前記荷電粒子ビームの位置・幅を算出する演算を開始することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【請求項５】
請求項１記載の荷電粒子ビーム照射システムにおいて、
前記制御装置は、
前記１つのスポットに照射する前記荷電粒子ビームの線量が目標線量に達した後、前記荷電粒子ビームを走査して照射位置を次のスポットに変更する間にも前記荷電粒子ビームを照射するよう前記荷電粒子ビーム発生装置からの荷電粒子ビームの出射を制御し、
前記複数の照射スポットの各スポットにおける照射時間が前記ビーム位置検出装置からの信号に基づく前記ビームの位置・幅の演算時間よりも長くなるように前記各スポットにおける荷電粒子ビームの照射電流を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム照射システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１７７３７４（Ｐ２０１１−１７７３７４Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４５３９６（Ｐ２０１０−４５３９６）
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]